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我的“什么是科学?”

近些年来“科学”一词被非常广泛的使用起来,很多事情都冠以“科学”,看着不顺眼的就扣上伪科学的帽子。从科学一词的使用情况看,科学大约等于真理或正确,伪科学自然就是荒谬和不正确,科学本身的含义反而变得模糊起来。

从网上搜索,你能发现无数关于“什么是科学”的文字,抛开这些,我说说我个人对科学粗浅的理解。

首先科学并不是真理,也不一定正确。科学是发现和探索真理的过程,很多时候这个过程是充满错误的。例如人们想知道地球的年龄,圣经告诉人们,从上帝创世纪开始算起,地球的年龄到现在大约是8000年左右,牛顿认为地球是从太阳上掉下来的大铁球,需要大约5万年才能冷却到现在的温度,具体用实验验证这个说法的是生活在18世纪的法国人Buffon,他观测不同尺寸烧红的铁球的冷却速度,然后从直径与冷却速度的关系,来计算地球这个直径大约12700公里的铁球是用了多少年才冷却下来的,他的结论是地球的年龄大约是75000年,比圣经告诉人们的长了10倍,比现在我们知道的地球的45亿年的年龄差了十万八千里。没有人否认Buffon的实验过程本身是个科学过程,但这个科学过程得出的结论却与“正确”相差的非常远。原因是什么?

因为人们认识自然的过程是漫长和困难复杂的,需要科学家们不断的努力,需要不断的知识积累,需要不断的新的发现,这是个科学的过程,是个接近真理的过程,但这个过程中,因为人们认识的局限,可能是个满是错误的过程。从我个人的科研经历看,几年的时间在认识胰岛生理与生化方面,仅仅前进了一点点,我面对的是很多未知的东西,在实验过程中,我自己就知道很多当初的想法和对实验结果的解释都是错误的,但我知道真理就在前方,我正用踉跄的脚步接近她。

科学需要实验,科学的结论和思想源自实验,没有实验就没有科学。请原谅我眼里的科学就是自然科学,我对社会科学一窍不通,不知道这个想法是否也适用于社会科学。记得爱因斯坦曾经说过,现代科学源自逻辑学与可以验证因果关系的实验科学的发展,我个人非常认同这个说法,科学的实质或精髓就是逻辑思想下引导的实验,所谓实验-假说-再实验-修订的假说,这样一个通过实验不断完善假说的过程,成熟的假说可以得出一个理论。没有实验,更广泛些叫实践,就没有科学,只有假说而没有实验就是空想,只有实验没有假说就说明没脑子,因为尽管假说来之不易,但相对实验来说,要便宜很多。多思考可以节省很多实验经费,在科研经费缩减物价上涨的今天,就显得特别重要了。

不同的人对科学有着不同的理解,但我相信,在实践中探索科学,犯着错误寻求真理,这是科学的真正含义。

寻找地震的前兆?

这些天一直心情沉重的关注着四川地震,我不相信上帝,但这个时候总是幻想能有一种神奇的万能的力量来扭转这一切,从电视上,从网络上,我似乎看到了这种力量,巨大无比的来自中国政府,军队和人民的力量。

说道地震,不管人类多么的伟大,但在地震面前总是显得很弱小,目前人们都知道,世界上没有哪个国家,哪个人能准确地预报地震,科学家们做不到的事情,总是有人来填补这个空白。

地震预报一直是人的梦想,敬拜神灵祈求上苍显然是没有用处的,于是人们从地震过后的回忆中去寻求震前一些异常的征兆,想从中找到某种联系,期盼将来能作为地震的警示。这个工作很久以前就开始了,例如印度学者Varahamihira (505 – 587)曾经总结过能短期预示地震的异常征兆,包括地震前地下水的异常活动,动物的异常行为,地震前的奇异云彩等。

人们争论最多的自然是地震云,中国人Zhonghao Shou有过专门的研究,据说从蛇形的地震云分析,他预报地震的准确性达到70%,尽管地震学家和科学家们并不认可,但这正如我前面说的,总是有人用各种理论来填补“科学的真空地带”。我对任何事情总是持有无罪推定观念的,在不能证明其是伪科学前,不能就说这个是不科学的。这次四川地震前,就有人看到过地震云并为此做了预测,但什么样的云彩是地震云,不是特别能准确地描述,从网上的一些图片可以看出这些云彩的确非常奇异,但如果你留心,好像还是能经常见到类似的云朵,所以如何给地震云下一个准确的定义,好像不是非常容易,如蛇皮斑纹的云彩似乎并不十分精确。

再就是动物了,这次地震前3天,四川绵阳等地出现大批蛤蟆搬家,马路上到处都是蛤蟆,人们开始谣传可能有地震发生,专家们还专门辟了谣,但果真地震了,于是人们开始问,动物预报地震靠谱吗?松鼠会的文章还说地震局里面就养着动物,目的是用来预报地震的。但科学家和地震学家好像还是不认可动物能预报地震,但我个人还是相信,在某些事情上,尤其是躲避灾害上,某些动物要比人敏感的多。例如最近一期国家地理杂志上,说加州的松鼠把尾巴竖起来左右摇动来感知敌人的到来,还不仅如此,一种特殊的蛇临近的时候,尾巴还发热,于是松鼠就知道这种蛇到了。地震时地壳的活动,在积蓄能量的时候,必然有各种地磁地热等等的变化,人可能感觉不到,但生活在自然界,生活在地洞里的动物肯定能感觉到这种变化,出现异常的行为显然是一种逃避这种异常变动的表现,动物们本身并不想预报地震,只是想逃避大地异常的变动,从这个角度看,动物的确能更早地感觉到灾害的到来。但对任何危害,动物都是要逃避的,并不仅仅是因为地震,所以人们在看到动物的异常行为的时候,并不很容易联想到地震,尤其是从来没有经历过地震的人。

我相信,在人们不能科学地准确预报地震前,人总是要寻求一种征兆,一种奇异的变化,一种什么特殊的来自大地的信号来预测灾害,这样才能躲避灾害,这也是人的本能。

期盼一切能好起来,中国已经经历了太多的苦难,在苦难中不断锤炼的民族才能永生!

数字“3”

最近从书店买了一本书,名字叫“数字,科学的语言(Numberthe language of science)”,作者Tobias Dantzig。看到书中描述我们的祖先在学会数手指头之前,对数字的概念是很有限的。

人们研究了一些原始部落居民,例如南部非洲部落的人对数字的概念,发现这些人能数的数字是12和很多,对3并没有一个具体的概念。这个局限也反映在欧洲的语言体系里,例如英语里的thrice,正象拉丁语里的ter,有双重的含义,第一个含义是三倍或三次,还有一个含义就是“很多”,法语也是如此,tres,很,trois,三。说明人类的祖先们在数出来12后,3就意味着很多,数不清楚了。

书的作者并不懂得中文,但显然中文也是如此,所谓事不过三,三人行必有我师,吾日三省吾身,这个三和欧洲语言体系是类似的,有3的含义,也有多的意思。

之后随着物质的丰富,“12和很多”显然满足不了生活的要求了,人们这才学会了数数。但三的感念却长久的留在了人们的生活里。

做实验,至少要重复三次是个基本准则,统计学里,n=3后就可以做一些显著性差异的分析。比赛名次,前三名才能得到奖牌,诸如此类。

人类能有今天聪明才智是很不容易的。

为什么西藏人没有高原反应?

记得以前上医学院最后一年实习的时候,见过一位从西藏回来的退伍老兵,患的疾病是肥厚性心肌病,原因是长期在高原生活,高原缺氧导致心脏长期超负荷工作,久而久之,心肌出现肥厚,进而衰竭。所以对于生活在平原或低海拔的人来讲,初到高原,可能出现高原反应,长期生活则可能造成对健康的不可逆损害。

但对于祖祖辈辈生活在高原上的藏人来说,高原对于健康并不是什么太大的问题。当我们看到生活在海拔4500米以上的藏人的时候,一个深刻的印象,就是这些人红彤彤的脸膛,以前的感觉是高原阳光很强,可能是太阳晒的,但事情并非如此简单。

2007PNAS2007;104:17593-8)发表的文章研究了藏人的血液循环系统,发现与生活在低海拔的人相比,生活在4200米以上高原的藏人,血管扩张,血流速度快,这样就增强了血液向组织输送氧气的能力,尽管藏人血氧饱和度只有低海拔人的80%,但依靠增加血流速度,组织并不缺氧。研究发现,造成血流速度增加,血管扩张的原因,是因为藏人血液中含有丰富的一氧化氮,高于低海拔人10倍以上。我们知道一氧化氮能扩张血管,心绞痛的人用硝酸甘油来扩张冠状动脉就是基于这个原理。

藏人不仅血流速度快,呼吸频率也高,每分钟喘气的次数要多于生活在平原上的人,Eur J Appl Physiol2004;93:190-5)上发表的文章也把这个生理现象也归功于一氧化氮,因为血液里的一氧化氮增多了,所以就通过肺毛细血管排到了肺的小气道,和血管一样,小气道也因此扩张,呼吸就快了。

一氧化氮增高对于藏人没有高原反应是一个比较合理的解释,但实际上问题远不是这么简单,Hypertens Res 2007 ;30:1129-37)里的数据显示,生活在拉萨的西藏原住民,高血压患病率竟也高达三分之一,和平原生活的人并没有什么差别,按照一氧化氮来解释,血管扩张,血压应该是降低的,这个和高血压的数据不吻合。藏人喝的水里,镁离子含量也高,这个也是血管扩张的因素,这些都能对抗高原反应,但对于高血压则需要更多的研究才能解释的清楚。

是什么限制了中国近代科技的发展?

最近读一本1943年出版的科普书,名字叫“Out of the test tube”,当读到1791年法国化学家Nicholas LeBlanc因为发明了从盐里提炼苏打的方法,被巴黎科学院授予2400 Livres (是法郎之前的一种货币)的奖励,但他从来没有收到过这笔钱,之后的法国大革命终止了他的专利,他的工厂被抢劫,1806年因为贫穷和绝望自杀了。我很惊讶,居然1791年的时候法国就有了专利保护。

带着疑问查找了一些专利史的资料,发现1421年意大利的弗洛伦萨共和国就颁布了专利保护法,之后1474年,也是意大利的威尼斯共和国也颁布了类似的法律,1449年英国颁布的专利保护,可以保护发明人的独有权20年,在这之前古代希腊据说早就有类似于专利保护的法律。

联想到中国,如果谁家有什么绝技,能保障对这种绝技所有权的方法,完全是靠自己的力量,传男不传女,配置中药的过程完全保密,因为一旦绝技或方法被别人知道,别人马上就能生产和你一样的东西,有专利的概念,也有保护的意识,但这不关法律官府和皇帝什么事。

以前当人们讨论近代中国科技落后的原因的时候,大多归罪于万恶的科举制度,重文轻理,视发明创造为奇技淫巧,但此乎没有人谈到因为缺乏从政府层面上的对专利的保护,极大的限制了科技的创新和传播。

怎么专利保护的意识就从来没有被皇帝们想到呢?中国的科技也因此被压抑了几百年。当然限制中国近代科技发展的原因有很多,但对专利意识的漠视,也许是问题的症结所在。

有趣的圆周率

继续迷恋数学,这次读到了圆周率,就是pi。记得上中学历史课的时候,学到中国古代科学家祖冲之,他最突出的贡献就是把圆周率精确到小数点后7位,并自豪的说祖冲之最先计算出精确的圆周率。

这个说法是根据《隋书·律历志》中的记载。那上面 说:古之九数,圆周率三,圆径率一,其术疏舛。自刘歆、张衡、刘徽、王蕃、皮延宗之徒,各设新率,未臻折衷。宋末,南徐州从事史祖冲之更开密法,以圆径 一亿为一丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈朒二限之间。密率,圆径一百一十三,圆周三百五 十五。约率,圆径七,周二十二。又设开差冪,开差立,兼以正圆参之。指要精密,算氏之最者也。所著之书,名为《缀术》,学官莫能究其深奥,是故废而不 理。

“我国历史上首先用数学方法推算圆周率的,是汉代的大学者刘歆(公元二三年为王 莽所杀),他的圆周率是31547。张衡(公元七八年——公元一三九年)是我国著名的天文学家,他的周率是√10。刘徽(公元二六三年前后时人),他用割 圆术来推算,即圆内画一六边形,逐渐增加边数,这多边形与圆会越来越接近,计算多边形的边,算到九十六边形时,周率定为314。王蕃(公元二一九——公元 二五七年)是142453155,皮延宗(公元四四五年前后时人)的周率考查不出来。据李俨的《中国算学史》中说,在祖冲之之前,还有一位何承天(公元 三七○——四四七年),周率为22/7,即31428。这些周率都不精密”。

其实人类历史上,不同的文明都先后计算出精度不等的圆周率,所谓圆周率就是一个圆的周长除以其直径,这是一个非常古老的问题,早在公元前2000年左右,古巴比伦人就知道一个圆的周长是其直径的大约3倍。到公元前225年,古意大利的阿基米德估算出圆周率是在223/71220/70之间,简单的说就是pi等于22/7。之后就应该是中国的祖冲之所计算的3.14159263.1415927之间,以后一直到1768年,Johann Lambert算出小数点后20位,并声称这个pi是个不规则数,到1853年,William Shanks算到小数点后527位,1949年,美国的计算机ENIAC花费了70个小时算到2037位,2002年,超级计算机算到了1,241,100,000,000位,如果把这些数并排写到纸上,纸的长度可以绕地球62圈。 继续阅读 »

什么是“斐波纳契数列(Fibonacci number)”?

近来很迷恋数学,原因是我的数学底子很薄,本来就是高中水平,加上多年不用,就剩下小学的四则运算水平了。今天买到一本数学书,读了Fibonacci number,网上一查,知道中文翻译成斐波纳契数列。

文章先介绍几年前流行的达芬奇密码一书,其中一个谜题,是这样一组数字,1332211185,要求是把这组数字重新组合成有规律的数字,这就是数学里面非常有名的Fibonacci number

这组数列是这样的,1123581321345589144233377……,其规律是后面一个数是前面两位数的合,这个数列是1202年在意大利发表的,实际上,古印度可能很早就知道这个数列了。很多家谱的排列大多遵循这个数列,而后面的数与前面数字的比就逐渐得出了非常著名的黄金分割,也就是1.618033988。自然界的很多事物都遵循黄金分割的比例关系,也是很多建筑设计中常常采用的比例。

读了对这组数列的介绍之后,突然茅塞顿开。以前在测定胰岛细胞浆里钙变化的时候,要观察一个现象,叫“calcium oscillation”,中文应该是“钙震荡”,用葡萄糖刺激,如果葡萄糖浓度从010 mM,观察到这个现象的机会不到10%,但后来发现如果把葡萄糖的浓度设定为358 mM的顺序刺激,那么观测到这个现象的机会几乎是100%。读了这个斐波纳契数列,难道胰岛的钙震荡也遵循这个规则?

再谈对待假说的态度

昨天系里的学术活动,一位教授讲到科研要做到自我批评,有的时候批评自己要比批评别人来的更严厉些。这个说法和我的前一篇博客文字很符合,我在前一篇博客讲到,假说里绝大多数都是错误的,所以科研是从错误出发去寻找正确。

自我批评也是找自己的错误,如果自己找足了自己科研上的不足,别人就没有什么可以再批评你的了。提出一个假说,在找到足够的证据证明自己正确后,不要急于发表,要花一些时间和精力来验证自己是不是错了,这个过程很重要,不要让别人来说你错了。

能做到这点并不容易。

有多少实验不能重复?浅谈对假说的态度

最近几天,“科学”与“自然”杂志分别收回两篇在其杂志上发表的文章,科学杂志应Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)的请求,收回了其研究所科学家Tae Kook Kim 2005年发表在“科学”杂志上的文章,理由是“最初的调查结果确认这2篇文章(还有一篇2006年发表在Nature Chemical Biology 上)不具备任何科学的真实性”

自然杂志则收回了2004年诺贝尔奖获得者Linda Buck实验室于2001年发表在“自然”杂志上的文章,理由是2001年文章里面的数据不能重复,Linda Buck认为文章的共同第一作者,中国人邹志华向她提供了不真实的数据。

背后的调查和争论还在继续,但不管这么说,“实验结果不能重复”是事情的根本原因。但要问一个问题,在所有发表的科研文章中,有多少实验数据是不能重复的呢?答案是令人沮丧的,太多了,实在是太多了。

科学的真实来自于实验,实验因设计不同,实验环境,条件,操作人员不同,存在差异是肯定的,科研人员也会因知识,操作能力,认识水平的不同,对实验结果也有不同的解读。所以特定的实验不能重复,是科学本身先天具备的不足之处,但尽管有些实验不能重复,但其所要得到的结论则必须是能重复的,是能被再次验证的,否则科学就失去了他的根基。正确的科学结论则是建立在可信可靠的实验数据上的,不难想象,错误的实验结果自然就引向了错误的科学结论。

道理是如此简单明了,但到实际生活中,就变的不那么简单了。例如,在设计实验的时候,科研人员往往是带着有色眼镜的,所谓要验证假说,或是说假说引导的实验。这样做的好处是,实验有明确的目的性,但不足之处是当实验结果和自己的事先假说不匹配的时候,该如何解读实验数据。

我的近80岁的老板经常说些至理名言,他对假说的解释是,95%的假说都是错误的,尤其是那些建立在幻想和推测基础上的假说,或是对所从事领域缺乏足够认识的基础上得到的假说。如果有了这样的心理,假说都是从“不对”开始的,假说引导的实验结果与假说不符,就变得的很正常了,所以在实验过程中,实验和假说要相互学习,相互不断修正,只有这样才能走向那5%的正确假说。所以针对科学实验的心态,或是看法,我叫做“哲学或信仰”不同,决定了一位科学家是否存在篡改实验数据的本能。

从“假说错误论”开始的人,对自己的假说不是特别强烈的坚持,而是认为实验数据比假说本身更重要,假说要不断修正甚至完全放弃,在这样的思想的引导下,就能在实验结果和假说谁是上帝的问题上,作出轻松的选择。

但很多科学家对自己的观点太执着,宁愿坚持假说也不愿意相信实验数据,简单的说就是“假说是自己的上帝”,有这样强烈愿望的科学家,即使不主动篡改数据,也会在潜意识里对实验结果有倾向性的取舍。这样得到的假说,正如我的老板所说,95%都是错误的。

科学与自然杂志收回的文章,是不可重复的实验从根本上撼动了假说的真实性。看一位科学家是否能不断从错误走向正确,还是从错误一直走向错误,浪费自己的生命,其对实验的态度,或是我说的,其对科学的哲学或信仰,决定了这一切。

东亚科学家发表文章的名字问题

东亚科学家,特别是中日韩国的科学家,发表英文文章的时候,名字主要是拼音或是音译。这造成的问题是很突出的,例如中国人的名字,张艺谋,拼音是,Yimou Zhang,在Pubmed上检索的时候,名字变成了Zhang Y,检索的结果显示有近17000篇文章中都有这个Zhang Y的作者,当然没有一篇是张艺谋同志写的。我自己的名字也是很不着边际,要用Li C来检索,结果是8300多篇文章。

因为这个名字的拼音翻译,把汉语的四声都吃掉了,再加上两个字的名字拼音中只取第一个字母作为名字的缩写,其涵盖的人口数量是可想而知的。ISI聪明一些,考虑到了老中的特殊性,取了两字名的各第一个字母,所以在ISI上检索,张艺谋的名字应该是Zhang YM,依旧检索出来的文章数量是惊人的。所以,如果看到一位中国科学家的名字,想从Pubmed上找这位发表的文章几乎是不可能的。

考录到这个令人混淆的问题,最近“科学”杂志报道说,美国物理学会,准备在其所属杂志发表中日韩国科学家文章的时候,在拼音后注上名字原文,就是Yimou Zhang后面加上(张艺谋)的真名,看着似乎是找到了问题的所在,但在英文检索系统里并不认识中文,所以这个除了看着好看外,并不解决真正的问题。

看来在未来很多年内,在找到有效的更聪明的解决办法前,中国科学家就只有显示集体的力量了,用埋没自我来使某个名字生辉。

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